JP7494840B2 - ガラス繊維巻回体の乾燥方法及びガラス繊維巻回体の乾燥装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ガラス繊維巻回体の乾燥方法及びガラス繊維巻回体の乾燥装置に関する。
特許文献１には、モノフィラメントに集束剤を塗布する工程を通じて得られたガラス繊維巻回体を乾燥させる乾燥方法が開示されている。このガラス繊維巻回体の乾燥方法では、雰囲気加熱（例えば熱風加熱）、誘電加熱等の加熱方式が用いられている。
上記のようなガラス繊維巻回体の乾燥方法に対して、例えば乾燥に要する時間を短縮させる等、さらなる向上が求められている。
本発明の目的は、ガラス繊維巻回体のより好適な乾燥方法及び乾燥装置を提供することにある。
本発明の一態様によれば、ガラス繊維巻回体の乾燥方法は、１００℃以上の水蒸気をガラス繊維巻回体と接触させることにより、前記ガラス繊維巻回体を加熱する加熱工程を含む。
上記ガラス繊維巻回体の乾燥方法において、前記加熱工程を前記水蒸気の温度よりも低い雰囲気温度下で行ってもよい。
上記ガラス繊維巻回体の乾燥方法において、前記水蒸気から前記ガラス繊維巻回体への伝熱は、凝縮伝熱及び輻射伝熱を含んでもよい。
上記ガラス繊維巻回体の乾燥方法において、前記加熱工程を第１の加熱工程として行った後に、前記第１の加熱工程とは加熱方式の異なる第２の加熱工程をさらに行ってもよい。
上記ガラス繊維巻回体の乾燥方法では、前記水蒸気を用いる前記加熱工程において、前記ガラス繊維巻回体に含まれる集束剤から被膜を形成してもよい。
上記ガラス繊維巻回体の乾燥方法では、前記水蒸気は、等体積球相当径が１０００ｎｍ以下である水滴を含んでもよい。
上記ガラス繊維巻回体の乾燥方法に用いられるガラス繊維巻回体の乾燥装置は、前記ガラス繊維巻回体が収容され、かつ前記水蒸気が供給される容器を備える。
本発明によれば、ガラス繊維巻回体をより好適に乾燥させることが可能となる。特に、ガラス繊維巻回体を１００℃まで昇温させるのに要する時間を短くすることができる。
以下、ガラス繊維巻回体の乾燥方法及びガラス繊維巻回体の乾燥装置の実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、ガラス繊維巻回体１１は、ガラスストランドＧＳを巻き取ることで円筒状に形成されている。ガラス繊維巻回体１１のガラスストランドＧＳには、被膜を形成する被膜成分と、水分とを含有する集束剤が塗布されている。この集束剤を含むガラス繊維巻回体１１を乾燥させることで、ガラス繊維巻回体１１の製品が得られる。ガラス繊維巻回体１１の乾燥は、集束剤中の水分を蒸発させるとともに集束剤中の被膜成分から被膜を形成するために行われる。
ガラス繊維巻回体１１としては、例えば、直接巻き取り法によって製造されるガラスロービング（ＤＷＲ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｗｉｎｄｉｎｇ Ｒｏｖｉｎｇ）が挙げられる。このようなガラス繊維巻回体１１は、ブッシングを用いて溶融ガラスを紡糸する周知の方法で製造することができる。詳述すると、ブッシングから引き出された多数本のガラスフィラメントに集束剤を塗布し、ギャザリングシューで集束してガラスストランドＧＳとする。続いて、ガラスストランドＧＳをトラバーサー及びワインダーを用いてコレットに円筒状に綾巻きすることで、ガラス繊維巻回体１１が得られる。ガラスストランドＧＳの直径は、例えば、１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下の範囲内である。ガラスストランドＧＳは、例えば、１００～１００００本のガラスフィラメントから構成される。ガラスストランドＧＳを形成するガラスフィラメントの直径は、例えば、３μｍ以上、１００μｍ以下の範囲内である。
ガラス繊維巻回体１１のガラスとしては、例えば、Ｅガラス（アルカリ含有量２％以下のガラス）、Ｄガラス（低誘電率ガラス）、ＡＲガラス（耐アルカリ性ガラス）、Ｃガラス（耐酸性のガラス）、Ｍガラス（高弾性率のガラス）、Ｓガラス（高強度、高弾性率のガラス）、Ｔガラス（高強度、高弾性率のガラス）、Ｈガラス（高誘電率のガラス）、ＮＥガラス（低誘電率ガラス）等が挙げられる。例えば、Ｅガラスの組成は、酸化物基準の質量％で、ＳｉＯ２：５２～６２％、Ａｌ２Ｏ３：１０～１６％、Ｂ２Ｏ３：０～８％、ＭｇＯ：０～５％、ＣａＯ：１６～２５％、及びＲ２Ｏ（但し、Ｒは、Ｌｉ、Ｎａ及びＫ）：０～２％であることが好ましい。
集束剤中の被膜成分（樹脂成分）としては、例えば、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、酢酸ビニル系樹脂等が挙げられる。集束剤には、必要に応じて、潤滑剤、シランカップリング剤等を含有させることもできる。
図２に示すように、ガラス繊維巻回体の乾燥装置１２は、水蒸気発生部１３と、水蒸気発生部１３で発生させた水蒸気を加熱する水蒸気加熱部１４とを備えている。
水蒸気発生部１３は、外部から供給された水を加熱する加熱装置を備えている。水蒸気発生部１３の加熱方式としては、例えば、熱交換器、電磁誘導、マイクロ波、抵抗加熱等が挙げられる。水蒸気発生部１３で発生させた水蒸気は、水蒸気加熱部１４に供給される。ガラス繊維巻回体の乾燥装置１２は、水蒸気加熱部１４に供給する水蒸気に乾燥空気を供給する乾燥空気供給部を備えていてもよい。乾燥空気供給部は、例えば、コンプレッサー、ドライヤー等を備える。
水蒸気加熱部１４は、水蒸気発生部１３から供給された水蒸気を加熱する加熱装置を備えている。水蒸気加熱部１４の加熱方式としては、例えば、熱交換器、電磁誘導、マイクロ波、抵抗加熱等が挙げられる。水蒸気加熱部１４は、水蒸気１５の温度を調整する。水蒸気１５の温度は、１００℃以上であり、好ましくは１２０℃以上である。
ガラス繊維巻回体の乾燥装置１２は、ガラス繊維巻回体１１が収容される容器１６をさらに備えている。容器１６は、ガラス繊維巻回体１１の乾燥室を画定する。容器１６は、図示を省略した開閉扉を備え、開閉扉を開放することで、ガラス繊維巻回体１１を容器１６内に搬入又は容器１６から搬出することができる。いくつかの実施形態において、容器１６内では、支持台１７を用いてガラス繊維巻回体１１を支持することが好ましい。支持台１７は、例えば、台座部１８と、台座部１８に立設される支柱部１９と、支柱部１９から水平方向に突出し、ガラス繊維巻回体１１を支持する支持部２０とを備えている。支持台１７の突出部は、ガラス繊維巻回体１１の中空部、すなわち円筒状のガラス繊維巻回体１１の筒内に挿入可能に構成されている。この容器１６内に水蒸気加熱部１４から水蒸気１５が供給される。水蒸気加熱部１４で調整された水蒸気１５は、例えば、図示を省略したノズルから容器１６内に噴出させることができる。このような容器１６内において、ガラス繊維巻回体１１を乾燥させることができる。容器１６は開閉扉を備える閉鎖系の容器であってもよいし、エアーカーテン等を用いた開放系の容器でもよい。支持台１７は固定式でもよいし、例えば、支持台１７を備えた台車等の移動式であってもよい。
次に、ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法について説明する。
ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法は、１００℃以上の水蒸気をガラス繊維巻回体と接触させることにより、ガラス繊維巻回体を加熱する加熱工程を含む。いくつかの実施形態において、水蒸気１５の温度は、１２０℃以上であることが好ましく、さらに好ましくは１４０℃以上である。水蒸気１５の温度は、６００℃以下であることが好ましい。いくつかの実施形態において、水蒸気１５は、等体積球相当径が１０００ｎｍ以下の水滴を含むことが好ましく、７００ｎｍ以下の水滴を含むことがより好ましく、５００ｎｍ以下の水滴を含むことがさらに好ましい。水蒸気１５が上記の範囲の等体積球相当径を有する水滴を含む場合、水蒸気の熱がガラス繊維巻回体１１に効率的に伝わりやすくなる。等体積球相当径は、例えば、レーザー回折法により測定することができる。水蒸気１５は、水蒸気と乾燥空気との混合ガスであってもよい。この場合、混合ガス中の水蒸気の含有量は、５０体積％以上であることが好ましい。
水蒸気１５の使用量は、水蒸気１５の供給量において、例えば、１０ｋｇ／ｈ以上、２００ｋｇ／ｈ以下の範囲内である。いくつかの実施形態において、水蒸気１５の使用量は、２０ｋｇ／ｈ以上であることが好ましく、５０ｋｇ／ｈ以上であることがより好ましい。ただし、水蒸気１５の使用量は、容器１６の容量、容器１６内に配置したガラス繊維巻回体１１の数、水蒸気１５の温度等に応じて、適宜変更することができる。
ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法において、水蒸気１５を用いる加熱工程は、水蒸気１５の温度よりも高い雰囲気温度下で行ってもよいし、水蒸気１５の温度よりも低い雰囲気温度下で行ってもよい。水蒸気１５を用いることでガラス繊維巻回体１１を十分に乾燥できるため、容器１６内の雰囲気温度を上げる必要が無く、容器１６内を加熱するためのコストを削減することができる。
ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法では、水蒸気１５を用いる加熱工程を第１の加熱工程として行った後に、第１の加熱工程とは加熱方式の異なる第２の加熱工程をさらに行うこともできる。
第２の加熱工程で用いる加熱方式としては、例えば、誘電加熱、雰囲気加熱等が挙げられる。誘電加熱は、ガラス繊維巻回体１１に含まれる水分子を回転又は振動させることで水分を加熱する加熱方式である。誘電加熱において高周波を使用する場合、高周波の周波数は、４ＭＨｚ以上、８０ＭＨｚ以下の範囲であることが好ましい。また、誘電加熱には、マイクロ波を用いることもできる。雰囲気加熱としては、例えば、加熱空気を用いた熱風加熱、赤外線の放射を用いた赤外線加熱等が挙げられる。熱風加熱には、熱源と、熱源で発生させた熱を送るファンとを備えた熱風加熱装置を用いることができる。赤外線加熱には、赤外線ヒーターを備えた赤外線加熱装置を用いることができる。
第２の加熱工程は、例えば、誘電加熱と、雰囲気加熱とを組み合わせて行うこともできる。第２の加熱工程において、誘電加熱を用いてガラス繊維巻回体１１を加熱した後、雰囲気加熱を用いてガラス繊維巻回体１１を加熱してもよい。
ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法において、第１の加熱工程、又は第１の加熱工程の後に必要に応じて行われる第２の加熱工程では、ガラス繊維巻回体１１に被膜を形成する。これにより、乾燥されたガラス繊維巻回体１１の製品（最終製品）が得られる。第１の加熱工程で被膜を形成するには、水蒸気１５の温度を被膜の形成に適した温度に設定すればよい。
第１の加熱工程の加熱時間、及び第２の加熱工程の加熱時間は、加熱温度、被膜成分の種類等に応じて設定することができる。加熱工程における加熱時間が長いほど、被膜成分の被膜化を促進することができる。加熱工程における加熱時間が短いほど、被膜の着色（変色）を抑えることができる。
いくつかの実施形態において、水蒸気１５を用いる第１の加熱工程によってガラス繊維巻回体１１を昇温させ、ガラス繊維巻回体１１の温度が約１００℃に達した時点で第２の加熱工程に移行してもよい。この第２加熱工程が誘電加熱又は熱風加熱であれば、ガラス繊維巻回体１１をより短時間で乾燥させることができる。これは、ガラス繊維巻回体１１の１００℃までの昇温速度は加熱雰囲気中の水蒸気量が多いほど速くなる傾向にあり、１００℃を超えてからの昇温速度は加熱雰囲気中の水蒸気量が少ないほど速くなる傾向にあるためである。
次に、ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法の作用について説明する。
図３（ａ）に示すように、ガラス繊維巻回体１１に水蒸気１５を接触させると、図３（ｂ）に示すように、ガラス繊維巻回体１１の外面で水蒸気１５が凝縮し、凝縮水２１が生成される。このとき、水蒸気１５からの凝縮伝熱Ｈ１によってガラス繊維巻回体１１を速やかに加熱することができる。ガラス繊維巻回体１１の外面の温度が１００℃に達すると、ガラス繊維巻回体１１に含まれる水分２２が蒸発し始める。
また、図３（ｃ）に示すように、水蒸気１５からは輻射熱が放出されるため、水蒸気１５からの輻射伝熱Ｈ２によってもガラス繊維巻回体１１を加熱することができる。さらに、図３（ｄ）に示すように、水蒸気１５からの対流伝熱Ｈ３によってガラス繊維巻回体１１を加熱することもできる。
水蒸気１５の単位体積当たりの熱容量は、加熱空気の単位体積当たりの熱容量よりも高いため、水蒸気１５を用いることで、加熱空気を用いた加熱よりもガラス繊維巻回体１１の内部の温度をより短時間で高めることが可能となる。また、水蒸気１５は、ガラス繊維巻回体１１の隙間（繊維間）に侵入し易いため、ガラス繊維巻回体１１の内部を効率的に加熱することが可能となる。
次に、上記実施形態の効果について説明する。
（１）ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法は、１００℃以上の水蒸気１５をガラス繊維巻回体１１と接触させることにより、ガラス繊維巻回体１１を加熱する加熱工程を含む。この方法によれば、水蒸気１５からの伝熱によってガラス繊維巻回体１１を加熱することができる。これにより、ガラス繊維巻回体１１をより好適に乾燥することが可能となる。具体的には、例えば、ガラス繊維巻回体１１の内部の温度をより短時間で高めたり、ガラス繊維巻回体１１の内部を効率的に加熱したりすることが可能となる。これにより、ガラス繊維巻回体１１の乾燥時間を短縮させたり、ガラス繊維巻回体１１の外周側と内周側との温度差によって生じるガラス繊維巻回体１１の変形を抑えたりすることが可能となる。
（２）ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法において、水蒸気１５を用いる加熱工程は、水蒸気１５の温度よりも低い雰囲気温度下で行うこともできる。このように雰囲気温度を低く抑えてもガラス繊維巻回体１１の乾燥を行うことが可能であるため、雰囲気温度を上げるためのコストを下げることができる。
（３）ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法において、水蒸気１５を用いる加熱工程では、水蒸気１５からガラス繊維巻回体１１への伝熱が、少なくとも凝縮伝熱Ｈ１及び輻射伝熱Ｈ２を含むことで、ガラス繊維巻回体１１を速やかに加熱することができる。
（４）ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法は、水蒸気１５を用いる加熱工程を第１の加熱工程として行った後、第１の加熱工程とは加熱方式の異なる第２の加熱工程をさらに行ってもよい。このように異なる加熱方式を用いた第１の加熱工程及び第２の加熱工程を行うことで、例えば、ガラス繊維巻回体１１の加熱条件の設定の自由度が増すため、乾燥速度をより高めることや、ガラス繊維巻回体１１の製品における品位をより高めることが可能となる。
（５）ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法において、水蒸気１５を用いる加熱工程（第１の加熱工程）では、ガラス繊維巻回体１１に含まれる集束剤から被膜を形成することもできる。このように水蒸気１５を用いる加熱工程では、集束剤中の水分の蒸発から集束剤中の被膜成分の被膜化まで行うことが可能である。
（６）ガラス繊維巻回体の乾燥装置１２は、ガラス繊維巻回体１１が収容され、かつ１００℃以上の水蒸気１５が供給される容器１６を備えている。この場合、水蒸気１５を容器１６内に満たすことができるため、ガラス繊維巻回体１１と、水蒸気１５との接触を効率的に行うことができる。従って、例えば、水蒸気１５の使用量を削減したり、ガラス繊維巻回体１１の加熱時間を短縮したりすることが可能となる。
（変更例）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法において、水蒸気１５を用いる加熱工程（第１の加熱工程）は、水蒸気１５と、水蒸気１５以外の加熱方式とを組み合わせて行うことも可能である。水蒸気１５を用いる加熱工程において、水蒸気１５と組み合わせることができる加熱方式としては、例えば、誘電加熱、熱風加熱等が挙げられる。
・ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法において、水蒸気１５を用いる加熱工程（第１の加熱工程）を、水蒸気１５の条件を変更した複数の段階で行ってもよい。加熱工程は、例えば、所定温度の水蒸気１５を用いる第１段階と、第１段階よりも低い温度の水蒸気１５を用いる第２段階、又は第１段階よりも高い温度の水蒸気１５を用いる第２段階とを含む加熱工程に変更してもよい。
・ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法において、水蒸気１５を用いる加熱工程（第１の加熱工程）は、水蒸気１５以外の加熱方式で予備加熱したガラス繊維巻回体１１に対して行うこともできる。
・ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法において、加熱工程の全体が容器１６内で行われる必要はない。加熱工程は、例えば、ガラス繊維巻回体１１を搬入する搬入口と、ガラス繊維巻回体１１を搬出する搬出口とを有し、コンベアでガラス繊維巻回体１１を搬送する連続式の乾燥機を用いて行うこともできる。但し、水蒸気１５を用いる加熱工程（第１の加熱工程）については、上記実施形態のように、容器１６内、すなわち少なくとも部分的に閉鎖された空間に水蒸気１５を供給して行うことが好ましい。
・ガラス繊維巻回体１１の乾燥方法において、上記支持台１７を用いずに加熱工程を行うこともできる。
・ガラス繊維巻回体１１は、直接巻き取り法によって製造されるガラスロービング（ＤＷＲ）に限定されず、複数個のケーキから引き出された複数本のガラスストランドＧＳを合糸することで得られた合糸ロービングであってもよい。
水蒸気を用いた加熱工程によって、集束剤（水分含量９５質量％）を塗布したガラスロービングを加熱し、ガラスロービングが１００℃に達するまでの時間を測定した。使用したガラスロービング及び加熱条件は以下のとおりである。
ガラスロービング：外径３３０ｍｍ、内径１５０ｍｍ、高さ３２５ｍｍ。
加熱条件
（実験例１）内寸８００ｍｍ×８００ｍｍ×８００ｍｍの閉鎖系乾燥室内の中央に、１個のガラスロービングを、支持台を用いて配置した。乾燥室内の温度は２５℃であった。続いて、電磁誘導により１９０℃の温度に調節した水蒸気を、図２に示されるように乾燥室の天井面の縁付近に設けられた直径約１０ｍｍの１つの水蒸気吹き出し口から、７０ｋｇ／ｈの量で乾燥室内に導入した。ガラスロービングの温度は、予めガラスロービングの端面から深さ５０ｍｍ、外周から６０ｍｍ内側の位置に差し込んでおいた熱電対を用いてモニタリングした。
（実験例１）内寸８００ｍｍ×８００ｍｍ×８００ｍｍの閉鎖系乾燥室内の中央に、１個のガラスロービングを、支持台を用いて配置した。乾燥室内の温度は２５℃であった。続いて、電磁誘導により１９０℃の温度に調節した水蒸気を、図２に示されるように乾燥室の天井面の縁付近に設けられた直径約１０ｍｍの１つの水蒸気吹き出し口から、７０ｋｇ／ｈの量で乾燥室内に導入した。ガラスロービングの温度は、予めガラスロービングの端面から深さ５０ｍｍ、外周から６０ｍｍ内側の位置に差し込んでおいた熱電対を用いてモニタリングした。
（実験例２）実験例１と同じ加熱工程に加え、ヒーターからの１５０℃の熱風を、ガラスロービングの側方からガラスロービングに向けてファンで送風した。送風は水蒸気の導入と同時に開始した。
（比較例）実験例１の加熱工程に代えて、周波数１３．５６ＭＨｚ、出力２００ｋＷの電磁波を用いた誘電加熱を行った。誘電加熱開始時の乾燥室内の温度は２５℃であった。ガラスロービングの温度のモニタリングは実験例１と同じ方法で行った。
結果
ガラスロービングが１００℃に達するまでに要した時間は、実験例１及び２では約４時間であり、比較例では約６時間であった。すなわち、水蒸気を用いた加熱工程では、誘電乾燥による加熱工程に比べ、大幅に短い時間でガラス繊維巻回体を１００℃まで昇温できることが示された。実験例１と実験例２とでは、１００℃までの到達時間には差がなかった。そのため、乾燥室内の温度が２５℃程度であっても、短い時間でガラス繊維巻回体を１００℃まで昇温できることが示された。
ガラスロービングが１００℃に達するまでに要した時間は、実験例１及び２では約４時間であり、比較例では約６時間であった。すなわち、水蒸気を用いた加熱工程では、誘電乾燥による加熱工程に比べ、大幅に短い時間でガラス繊維巻回体を１００℃まで昇温できることが示された。実験例１と実験例２とでは、１００℃までの到達時間には差がなかった。そのため、乾燥室内の温度が２５℃程度であっても、短い時間でガラス繊維巻回体を１００℃まで昇温できることが示された。
１１…ガラス繊維巻回体、１２…ガラス繊維巻回体の乾燥装置、１５…水蒸気、１６…容器、Ｈ１…凝縮伝熱、Ｈ２…輻射伝熱。
Claims (6)
- １００℃以上の水蒸気をガラス繊維巻回体と接触させることにより、前記ガラス繊維巻回体を加熱する第１の加熱工程と、
誘電加熱及び雰囲気加熱の少なくとも一方の加熱方式を用いて、前記ガラス繊維巻回体を加熱する第２の加熱工程と、を含み、
前記第１の加熱工程において前記ガラス繊維巻回体の温度が１００℃に達した時点で前記第２の加熱工程に移行する、ガラス繊維巻回体の乾燥方法。 - 前記第１の加熱工程を前記水蒸気の温度よりも低い雰囲気温度下で行う、請求項１に記載のガラス繊維巻回体の乾燥方法。
- 前記水蒸気から前記ガラス繊維巻回体への伝熱は、凝縮伝熱及び輻射伝熱を含む、請求項１又は請求項２に記載のガラス繊維巻回体の乾燥方法。
- 前記ガラス繊維巻回体の乾燥により、前記ガラス繊維巻回体に含まれる集束剤から被膜を形成する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガラス繊維巻回体の乾燥方法。
- 前記水蒸気は、等体積球相当径が１０００ｎｍ以下である水滴を含む、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガラス繊維巻回体の乾燥方法。
- 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のガラス繊維巻回体の乾燥方法に用いられるガラス繊維巻回体の乾燥装置であって、
前記ガラス繊維巻回体が収容され、かつ前記水蒸気が供給される容器を備える、ガラス繊維巻回体の乾燥装置。
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